WO2020239458A1 - Regenerative energieabsorptionsvorrichtung, kupplungs- oder gelenkanordnung mit einer solchen energieabsorptionsvorrichtung sowie dämpfungsanordnung mit einer solchen energieabsorptionsvorrichtung - Google Patents

Regenerative energieabsorptionsvorrichtung, kupplungs- oder gelenkanordnung mit einer solchen energieabsorptionsvorrichtung sowie dämpfungsanordnung mit einer solchen energieabsorptionsvorrichtung Download PDF

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WO
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energy absorption
absorption device
elastomer body
resistance sensor
designed
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Thomas Prill
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Voith Patent Gmbh
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    • B61G9/04—Draw-gear combined with buffing appliances
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    • B61G9/20—Details; Accessories
    • B61G9/24—Linkages between draw-bar and framework

Definitions

  • the present invention relates to a regenerative Energyabsorptionsvorrich device for damping forces occurring during (normal) operation of a track-guided vehicle, in particular tensile, impact and / or torsional forces.
  • the invention also relates to a coupling or joint arrangement of a track-guided vehicle, in particular a rail vehicle, for the articulated connection of two adjacent car bodies, the coupling or joint arrangement having at least one energy absorption device of the aforementioned type.
  • shock protection consists of a combination of a regeneratively operating energy absorption device / damping device (for example in the form of a spring apparatus) and a destructively designed energy absorption device.
  • the regeneratively designed energy absorption device or damping device serves to reduce the tensile and shock loads that occur in normal ferry operations. To dampen forces, while the vehicle is protected with the destructively designed Energyver consumption device, especially at higher Auffahrgeschwindigkei th.
  • the regeneratively designed energy absorption device serving as a damping device absorbs tensile and impact forces up to a defined size and transmits additional forces into the vehicle undercarriage. As a result, tensile and impact forces that occur between the individual car bodies during normal ferry operation, for example in a multi-section rail vehicle, are absorbed in this regeneratively designed energy absorption device.
  • the regeneratively designed energy absorption device serving as a damping device will occur direction and the possibly provided joint or coupling connection between the individual car bodies or, in general terms, the interface between the individual car bodies may be damaged or even destroyed.
  • the regeneratively designed energy absorption device serving as a damping device is not sufficient to dampen the total energy produced. As a result, the regeneratively designed energy absorption device is then no longer integrated into the energy consumption concept of the overall vehicle.
  • the energy absorption device can have a type of "deformation indicator" which is designed to allow the energy absorption element to be used after or when the destructively designed energy absorption device is triggered With such a deformation display, it is possible to decide in a simple manner whether or not the energy-absorbing element of the energy-absorbing device has already triggered (partially or completely).
  • EP 2 072 370 A1 which describes such a (mechanical) deformation display for destructively designed energy dissipation devices.
  • the deformation display known from this prior art has a trigger which responds to a plastic deformation of the energy-absorbing element and initiates the deformation display.
  • the trigger which responds to a plastic deformation of the energy-absorbing element and initiates the deformation display.
  • EP 2 072 370 A1 taught the person skilled in the art to use a signal element, such as a signal plate, as a deformation indicator, which is fixed to the energy absorbing element via a shearing element serving as a trigger, where the shearing element shears off in the event of a plastic deformation of the energy absorbing element and its Loses the folding function, so that the signal plate is then no longer fixed to the energy-absorbing element and it is therefore easy to recognize that the destructively designed energy-absorbing element has already responded.
  • a signal element such as a signal plate
  • the present invention is based on the task of providing a regeneratively designed energy absorption device in which it can be ensured in an easy-to-implement manner that, if necessary, shock absorption always takes place according to a predetermined or definable event sequence, without this the individual components of the energy absorption device must be checked individually and regularly.
  • the invention relates in particular to a regenerative Energyabsorpti onsvorraum for damping forces occurring in (normal) operation of a track-guided vehicle, in particular tensile, impact and / or torsional forces, the energy absorption device having at least one spring device with an elastomer body which is designed in this way is that it deforms elastically at least in some areas when forces are introduced into the energy absorption device.
  • the elastomer body at least partially consists of an electrical conductive material is formed, the specific electrical resistance of which varies with tensile and / or compressive load, the energy absorption device being assigned a resistance sensor device for detecting an electrical conductivity or an electrical resistance of the electrically conductive mate rials.
  • the elastomer body of the spring device belonging to the energy absorption device is at least partially made of an electrically conductive material
  • the material of the elastomer body i.e. the elastomer body itself
  • This load change to which the elastomer body is subjected is, in particular, a mechanical tensile force acting on the elastomer body of the spring device.
  • the functionality of the energy absorption device can be effectively monitored with the help of the sensor system, which is at least partially or partially integrated in the material of the energy absorption device, by, for example, loads occurring with the help of the resistance sensor device over a predetermined or determinable period of time during force transmission via the energy absorption device of the elastomer body can be detected.
  • a total load change or a total load on the elastomer body or other components of the energy absorption device can be determined from this.
  • information relating to maintenance and / or replacement of the elastomer body or another component of the energy absorption device can then be output as a function of the total load change determined and / or the total load determined.
  • the resistance sensor device it is possible with the resistance sensor device to identify degenerations of the (elastomer) material of the elastomer body that may occur in the operation of the energy absorption device at an early stage.
  • the resistance sensor device and the electrically conductive material of the elastomer body which is part of a sensor system, the occurrence of operating states can be effectively detected, which lead to an in particular not immediately apparent damage or previous damage to the regenerative energy absorption device.
  • this sensor system resistance sensor device in combination with the electrically conductive material of the elastomer body
  • the resistance sensor device and the electrically conductive material of the elastomer body can be used to effectively detect any wear or previous damage to other components, in particular the energy absorption device, such as in particular wear and tear on other regenerative damping elements used in the energy absorption device, such as elastomer bearings.
  • the energy absorption device such as in particular wear and tear on other regenerative damping elements used in the energy absorption device, such as elastomer bearings.
  • prior damage to components of the energy absorption device can be detected and signaled early and reliably in order to avoid possible consequential damage and associated failures of the overall system due to unscheduled maintenance measures.
  • the sensor system used for this in the form of the resistance sensor device in combination with the electrically conductive material of the elastomer body is characterized by a compact and inexpensive structure, so that free accessibility of the components of the energy absorption device to be monitored and in particular the elastomer body of the energy absorption device is not possible more is necessary.
  • on-board diagnosis can be implemented in order to enable the vehicle system to carry out an early diagnosis and to simplify maintenance.
  • the vehicle system automatically interrogates the resistance sensor device or an evaluation device assigned to the resistance sensor device.
  • the fact that an electrical conductivity or an electrical resistance of the electrically conductive material of the elastomer body is detected with the aid of the resistance sensor device, with this data then being used as the basis for a further evaluation, can in particular also relate to external sensors, in particular strain sensors (strain gauges or strain transducer) can be dispensed with.
  • the present invention it is no longer necessary to attach corresponding sensors to existing structures from the outside, such as screwing them, as a result of which the components and in particular the elastomer body of the energy absorption device would have to be changed in structural terms.
  • the electrically conductive material of the elastomer body which figuratively assumes the function of a strain sensor, does not affect the damping properties of the elastomer body, so that the dynamic properties of the
  • the electrically conductive material or the electrically conductive area in the material of the elastomer body is formed by at least one special metal or carbon-based filler network in a polymer material.
  • the filler network is formed in particular by metal- or carbon-based filler particles that are received in a matrix of the polymer mate rials.
  • the polymer material of the electrically conductive material corresponds to a polymer material from which the elastomer body is formed. In this way, the dynamic damping behavior of the elastomer body is not influenced by the integration of the "sensors" in the elastomer body.
  • an electrically conductive area in the material of the elastomer body does not require an electrical infrastructure that must be adapted to the special conditions in ferry operation and, for example, withstand local deformations with a high number of repetitions and temperature ranges between minus 50 ° to + 50 °.
  • Elastomer body are embedded.
  • conductive materials such as carbon black, graphite, carbon, carbon nanotubes, copper, gold, silver, etc. are incorporated into the polymer matrix. From a certain filling level, these polymers form an electrically conductive network. If the polymer material is subjected to a tensile load or pressure load, the resistance changes due to the cross-sectional constriction and the change in the particle distribution in the polymer matrix. With this structure, various dimensions of the elastomer body can be measured. Investigations in this area have shown that the elastic and electrically conductive material of the elastomer body can be used as a sensor material for determining and measuring tensile loads or compressive loads. The sensory properties improve as the filling level of the polymer material increases, although the mechanical properties of the original polymer material deteriorate.
  • the entire polymer material of the elastomer body is not mixed with the corresponding conductive particles, but only individual areas of the polymer material are provided with a corresponding filler network. These areas are advantageously located in an area of the elastomer body through which at least one previously calculated load path runs during the damping of during operation of the track-guided vehicle.
  • the resistance sensor device is designed to detect the electrical conductivity and / or the electrical resistance between at least two measuring points in the electrically conductive material of the elastomer body, the resistance sensor device having at least one, preferably potential-free, measuring sensor for this purpose .
  • the preferably potential-free working measuring sensors are arranged in such a way that the electrical resistance or the electrical conductivity of the electrically conductive material in the elastomer body is determined over different spatial axes in order to obtain information about tensile loads or pressure loads or To be able to obtain strain loads on the elastomer body in different spatial axes.
  • the resistance sensor device preferably has an in particular wirelessly operating interface device, via which data recorded and optionally evaluated by the resistance sensor device can be at least partially read out, preferably via remote access.
  • the resistance sensor device is assigned a corresponding evaluation device which is designed to appropriately evaluate the data recorded by the resistance sensor device relating to the electrical conductivity or the electrical resistance.
  • these measurement data are compared with corresponding reference data, the reference data preferably being recorded beforehand as part of a calibration.
  • the invention is based on the knowledge that, for example, mechanical wear of the elastomer body changes the elongation properties and thus the damping properties of the elastomer body and deviates from an ideal state (target state). The degree or the extent of the change or the deviation from the target state can then serve as an indication of a faulty functioning of the elastomer body or for wear on the elastomer body.
  • An expected target state is transmitted either via error messages to the operator of the track-guided vehicle or via a remote control interface to a responsible maintenance service, in particular a remote maintenance service.
  • Remote maintenance of components of a track-guided vehicle is becoming increasingly important in supporting the hardware and software of suppliers in rail vehicle technology.
  • the increasing networking of control systems via the Internet, the establishment of internal company intranets and conventional telecommunication channels (ISDN, telephone, etc.) expand the possibilities of direct support in support.
  • remote maintenance products are used to reduce costs in companies.
  • Remote maintenance programs enable the remote service technician to directly access the monitored elastomer body or components of the energy absorption device and query their status in order to plan and carry out predictive countermeasures such as maintenance intervals.
  • the resistance sensor device is assigned a memory device for storing expansions, compressions and shear stresses introduced in the elastomer body, in particular during operation of the rail vehicle, or other relevant information and data, the memory device being designed in particular, preferably all data recorded by the resistance sensor device and to permanently store information for at least a predetermined or determinable period of time. It is advisable here for the memory device to be designed to be at least partially readable, preferably via remote access.
  • Elastomer body can be documented in order to be able to plan maintenance intervals predictively.
  • the resistance sensor device is assigned a memory device for documenting loads (expansions, compressions and shear stresses in different spatial directions) of the elastomer body that occur over a predetermined or determinable period of time during force transmission.
  • loads expansions, compressions and shear stresses in different spatial directions
  • the evaluation device should also be designed to output information relating to maintenance and / or replacement of the elastomer body or another component of the energy absorption device as a function of the total load change determined and / or the total load determined.
  • the invention is based on the knowledge that components of the energy absorption device, such as the elastomer body, have to be replaced or serviced when the tolerable loads have added up to a firmly defined value. So far, a check or maintenance has been carried out via documentation of the annual load changes, which is usually based on an estimate. This is a major inaccuracy, as it is actually not known exactly how many load changes actually took place and how high the stress was.
  • the collective load can preferably be recorded, which enables a greater degree of utilization of the components of the energy absorption device or of the elastomer body.
  • the service life of the components of the energy absorption device can in particular be increased. It is also possible that it is recognized in advance when and which components of the energy absorption device have to be replaced. This means that an appropriate replacement can be procured in advance, downtimes are minimized and process reliability is significantly increased.
  • the evaluation device is assigned at least one display device, in particular in the form of a display and / or at least one light source, for optical display of the total load change determined and / or the total load determined and / or corresponding information in this regard.
  • the evaluation device has a digital interface, in particular a Modbus, CAN, CANopen, IO-Link and / or Ethernet-compatible interface in order to be able to communicate with an external device accordingly .
  • a digital interface in particular a Modbus, CAN, CANopen, IO-Link and / or Ethernet-compatible interface in order to be able to communicate with an external device accordingly .
  • on-board diagnosis can be implemented in order to enable the vehicle system to carry out an early diagnosis and to simplify maintenance.
  • the vehicle system preferably automatically interrogates the evaluation device or the corresponding resistance sensor device.
  • the at least one area made of the electrically conductive material is preferably formed in an area of the elastomer body which is often exposed to repetitive expansion, compression and / or shear stresses during operation of the track-guided vehicle.
  • the area with the electrically conductive material is formed by at least one, in particular, metal or carbon-based filler network in a polymer material, with metal or carbon-based filler particles being used for this purpose, which are received in a matrix of the polymer material.
  • different electrically conductive carbon allotropes are used as fillers, which can differ in their geometric structures.
  • carbon black (CB) can be used as filler, which typically consists of almost spherical particles with a diameter of 50 nm. The expansion is in the nanometer range in all three dimensions.
  • CNT carbon nanotubes
  • GNT Graphene nanoplatelets
  • the thickness is in the range of a few nanometers, while the lateral expansion of the platelets is in the micrometer range.
  • the filling material network is formed at least in some areas by textiles and metallic strength carriers embedded in the elastomer material of the elastomer body, which are provided with an electrically conductive fiber or an electrically conductive coating. In this case, they can be in
  • Elastomer material already integrated textiles and metallic reinforcements can be used as electrical conductors.
  • the energy absorption device according to the invention can in particular be part of a coupling or joint arrangement of a track-guided vehicle, where in this coupling or joint arrangement is used to articulate two adjacent car bodies.
  • Another possible application is the use of the energy absorption device in a damping arrangement, for example in a side buffer of a lane-guided vehicle.
  • the resistance sensor device In order to enable the resistance sensor device to operate as independently as possible, and in particular to prevent complex cabling of the resistance sensor device to the vehicle body, provision is made in particular for the resistance sensor device to be designed only for times and / or events that are defined or can be defined in advance (for example during a coupling process) an electrical conductivity or an electrical Resistance of the electrically conductive area in the elastomer material to he grasp.
  • the resistance sensor device is activated (triggered) as soon as a corresponding sensor system detects the introduction of a force exceeding a predetermined threshold value into the energy absorption device.
  • the resistance sensor device has at least one generator, in particular a nanogenerator, in order to implement the concept of "energy flarvesting".
  • the resistance sensor device can at least part of the resistance sensor device during operation of the resistance sensor device required electrical energy can be obtained from the immediate vicinity of the resistance sensor device.
  • the nanogenerator corresponding electrical energy is obtained from a vibration of the elastomer body.
  • a Low-power near-field communication (NFC) solution for example ZigBee or Bluetooth LE, or other suitable standards can be used
  • FIG. 1 schematically and in an isometric view a first
  • FIG. 2 the coupling linkage according to FIG. 1 in one side
  • FIG. 3 schematically and in a side sectional view a second
  • FIG. 4 schematically and in an isometric view the in
  • Coupling linkage according to FIG. 3 used energy absorption device ("spherical bearing");
  • FIG. 5 schematically and in a sectional view the Energyabsorpti onsvoroplasty according to FIG. 4;
  • FIG. 6 is a circuit diagram of an exemplary embodiment of a
  • FIG. 7 schematically shows a further embodiment of a resistance sensor device with evaluation device and interface device of the energy absorption device according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically and in an isometric view a coupling joint 10 of a central buffer coupling for rail vehicles, an exemplary embodiment of the energy absorption device according to the invention being used in this coupling joint 10.
  • the representation in FIG. 2 shows the coupling linkage 10 according to FIG. 1 in a side sectional view.
  • a Energyabsorptionsvorrich device is integrated, which has a total of three spring devices, each with a ring-shaped elastomer body 1.
  • These annular elastomer bodies 1 of the spring devices are designed in such a way that tensile and impact forces are absorbed up to a defined size and forces beyond this are passed on via the bearing bracket 11 into the vehicle undercarriage.
  • FIG. 1 and FIG. 2 shown coupling linkage 10 comprises the rear part of a coupling arrangement and is used to pivot the coupling shaft 15 of a central buffer coupling over the bearing block 11 on a (not shown in the drawings) screw plate of a car body to pivot horizontally.
  • the bearing block 11 Since in FIG. 1 and FIG. 2, the coupling linkage 10 shown, the regenerative energy absorption device serving as a damping device with the annular elastomeric bodies 1 within the bearing block 11 is accommodated, the bearing block 11 has an adapted configuration with regard to the annular elastomeric body 1.
  • the bearing block 11 has a cage or housing structure 16, with which the bearing shells of the bearing are connected to a vertically extending flange.
  • the coupling linkage 10 When the coupling linkage 10 is in operation, tensile or compressive forces are introduced into the energy absorption device via the coupling shaft 15.
  • the coupling shaft 15 moves relative to the cage or housing structure 16 of the bearing block 11, the elastomeric body 1 of the energy absorption device being deformed accordingly to dampen the transmitted tensile or compressive forces.
  • an elastomer body 1 of the energy absorption device accommodated in the cage or housing structure 16 of the bearing block 11 is formed in some areas from an electrically conductive material 2, this area serving as sensor material.
  • the electrically conductive material 2 of the elastomer body 1 is designed in such a way that its specific electrical resistance or its electrical conductivity varies when the area of the electrically conductive material 2 is subjected to tensile and / or compressive loads.
  • the electrically conductive area 2 of the elastomer body 1 is advantageously formed by a filler network which has metal- or carbon-based filler particles. The filler network or the filler particles are received in a matrix of the polymer material from which the usual area of the elastomer body 1 is also formed.
  • the at least one electrically conductive area 2 of the material of the elastomer body 1 is formed in an area of the elastomer body 1 in which a load path is preferably in a load path during pressure or tension transmission or introduction into the energy absorption device specific spatial direction runs.
  • the electrical conductivity or the electrical resistance of the area 2 of the elastomer body 1 serving as a sensor material is measured or detected with the aid of a counter-sensor device 3.
  • the resistance sensor device 3 has at least one, preferably potential-free, measuring sensor. An embodiment of such a resistance sensor device 3 is described below with reference to the illustration in FIG. 5 described in more detail.
  • FIG. 3 shows in a schematic longitudinal sectional view another exemplary application of the energy absorption device according to the invention.
  • FIG. 3 schematically and in a side section view a coupling linkage 10 with an embodiment of the energy absorption device according to the invention.
  • the energy absorption device is designed as a spherical bearing 13.
  • the coupling linkage 10 according to FIG. 3 a bearing block 11 which is essentially rigidly attached to one end of a car body and a joint arrangement 12 which has a regenerative energy absorption device in the form of a spherical bearing and a vertically extending pivot pin 14.
  • the joint arrangement 12 serves to articulately connect a coupling rod 15 to the bearing block 11, the end section of the coupling rod 15 on the side of the car body being connected to the bearing block 11 via the joint arrangement 12 in such a way that at least partially a horizontal and vertical movement of the coupling rod 15 relative to the bearing block 11 is possible.
  • a horizontal pivoting of the coupling rod 15, ie a pivoting of the coupling rod 15 within the horizontal coupling plane, by providing the pivot pin 14 running vertically to the horizontal coupling plane is possible.
  • the pivot pin 14 running vertically to the horizontal coupling plane.
  • the intersection between the central longitudinal axis and the horizontal coupling plane denotes the point of rotation about which the coupling rod 15 can be pivoted horizontally or vertically relative to the bearing block 11, which is essentially rigidly flanged to the car body or otherwise fastened.
  • a regenerative energy absorption device which serves to dampen the tensile or compressive forces introduced via the coupling rod 15 during normal ferry operation.
  • the energy absorption device is part of a spherical bearing 13 and has a spring device with an elastomeric body 1, which is designed such that it is at least partially elastically deformed when forces are introduced into the energy absorption device.
  • FIG. 4 An embodiment of the in the joint arrangement 12 according to FIG. 3 coming spherical bearing 13 is used in a schematic and isometric view in FIG. 4 and in a corresponding sectional view in FIG. 5 shown.
  • the elastomer body 1 of the energy absorption device is formed in some areas from an electrically conductive material 2.
  • the electrically conductive area 2 of the material of the elastomer body 1 is designed in such a way that its specific electrical resistance or its electrical conductivity varies under tensile and / or compressive load.
  • the elastomer body 1 according to FIG. 5 is also assigned a resistance sensor device 3, with the help of which an electrical conductivity or an electrical resistance of the electrically conductive material region 2 of the
  • Elastomer body 1 can be detected.
  • An embodiment of the resistance sensor device 3 is then un ter with reference to the circuit diagram of FIG. 6 described in more detail.
  • resistance sensor device 3 is used to detect the conductivity or the electrical resistance between at least two points in the electrically conductive elastomer material 2 of the elastomer body 1 by a dedicated measuring transducer. This can be done, for example, by an arrangement according to FIG. 6 take place.
  • the optimal position of the measuring points in the elastomer material 2 must be determined depending on the geometry of the elastomer body 1.
  • the measuring range of the conductivity or the electrical resistance (R m ) of the electrically conductive elastomer body material used as the sensor material is to be determined depending on the elastomer mixture present.
  • the frequency bandwidth of the determined signal u (t) is essentially determined by the bandwidth of the occurring mechanical (dynamic) load.
  • the absolute values of the conductivity of the electrically conductive area of the elastomer body 1 can vary widely, it is advisable to record only the changes in the electrical conductivity or the electrical resistance R m after a calibration process.
  • the calibration process should also include the specified end positions of the overall system in question (in the case of pull couplings: the operational sides and height deflections). The size or the amount of the resistance change can then be a measure of the mechanical stress on the built-in elastomer body 1 that occurs.
  • Changes in the resistance value R m in the mechanical basic position (rest position) may indicate a change in the structure of the
  • Elastomer material a change in ambient temperature or aging of the elastomer material.
  • the application of the invention in a spherical bearing 13 in an automatic tension coupling is seen, since changes in the mechanical load or deflections of the supported component (for example the coupling rod 15) are even possible in several spatial axes.
  • the resistance sensor device 3 For the practical operation of the resistance sensor device 3, it is advantageous to have the resistance sensor device 3 measured only at certain discrete points in time in order to limit the energy requirement. It is also conceivable to trigger the measurement by an external event, such as coupling processes, traction / braking processes of the track-guided vehicle, cornering in curved tracks or when integrating an additional inertial encoder (acceleration) in the sensor when pushing / pulling in the coupling line.
  • an external event such as coupling processes, traction / braking processes of the track-guided vehicle, cornering in curved tracks or when integrating an additional inertial encoder (acceleration) in the sensor when pushing / pulling in the coupling line.
  • the provision of conductive fillers in the elastomer material of the elastomer body 1 means that electrically conductive fillers Areas 2 are formed in the elastomer body 1.
  • the specific property of the electrically conductive area 2 of the elastomer body 1 is made usable, namely by measuring and evaluating a change in the electrical conductivity under mechanical stress during operation of the energy absorption device. It is possible to draw conclusions from the changes in the electrical conductivity in the elastomer body 1 caused by mechanical load on the load on the elastomer body 1 or the energy absorption device (amount and direction) and, in the event of deviations, on extraordinary load cases or aging of the component. In this way, for example, condition-based maintenance of the components of the energy absorption device can be made possible.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine regenerative Energieabsorptionsvorrichtung zum Abdämpfen von im Betrieb eines spurgeführten Fahrzeuges auftretenden Kräften, insbesondere Zug-, Stoß- und/oder Torsionskräften, wobei die Energieabsorptionsvorrichtung mindestens eine Federeinrichtung mit einem Elastomerkörper (1) aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass sich dieser bei Einleiten von Kräften in die Energieabsorptionsvorrichtung zumindest bereichsweise elastisch verformt, wobei der Elastomerkörper (1) zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material (2) gebildet ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei Zug- und/oder Druckbelastung variiert, und wobei der Energieabsorptionsvorrichtung eine Widerstandssensoreinrichtung (3) zugeordnet ist zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit oder eines elektrischen Widerstandes des elektrisch leitfähigen Materials (2).

Description

REGENERATIVE ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG, KUPPLUNGS- ODER GELENKANORDNUNG MIT EINER SOLCHEN ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG SOWIE DÄMPFUNGSANORDNUNG MIT EINER SOLCHEN ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine regenerative Energieabsorptionsvorrich tung zum Abdämpfen von im (normalen) Betrieb eines spurgeführten Fahrzeuges auftretenden Kräften, insbesondere Zug-, Stoß- und/oder Torsionskräften. Die Erfindung betrifft ferner eine Kupplungs- oder Gelenkanordnung eines spur geführten Fahrzeuges, insbesondere Schienenfahrzeuges, zum gelenkigen Verbin den zweier benachbarter Wagenkästen, wobei die Kupplungs- oder Gelenkanord nung mindestens eine Energieabsorptionsvorrichtung der zuvor genannten Art aufweist.
Aus der Schienenfahrzeugtechnik ist es allgemein bekannt, Energieverzehrvorrich tungen insbesondere als Stoßsicherung einzusetzen. In der Regel besteht eine solche Stoßsicherung aus einer Kombination einer regenerativ arbeitenden Ener gieabsorptionsvorrichtung/Dämpfungseinrichtung (beispielsweise in Gestalt eines Federapparates) und einer destruktiv ausgebildeten Energieverzehreinrichtung .
Die regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrichtung bzw. Dämpfungsein richtung dient dazu, die im normalen Fährbetrieb auftretenden Zug- und Stoß- kräfte abzudämpfen, während mit der destruktiv ausgebildeten Energiever zehreinrichtung das Fahrzeug insbesondere bei größeren Auffahrgeschwindigkei ten geschützt wird.
Üblicherweise ist dabei vorgesehen, dass die als Dämpfungseinrichtung dienende regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrichtung Zug- und Stoßkräfte bis zu einer definierten Größe aufnimmt und darüberhinausgehende Kräfte in das Fahrzeuguntergestell weiterleitet. Dadurch werden Zug- und Stoßkräfte, welche während des normalen Fährbetriebs beispielsweise bei einem mehrgliedrigen Schienenfahrzeug zwischen den einzelnen Wagenkästen auftreten, in dieser rege nerativ ausgebildeten Energieabsorptionsvorrichtung absorbiert.
Bei Überschreiten der Betriebslast der regenerativ ausgebildeten Energieabsorpti onsvorrichtung hingegen, wie in etwa beim Aufprall des Fahrzeuges auf ein Hin dernis oder beim abrupten Abbremsen des Fahrzeuges, oder bei einem Kupp lungsvorgang mit überhöhter Geschwindigkeit, besteht die Gefahr, dass die als Dämpfungseinrichtung dienende regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvor richtung und die gegebenenfalls vorgesehene Gelenk- oder Kupplungsverbindung zwischen den einzelnen Wagenkästen bzw. allgemein ausgedrückt die Schnitt stelle zwischen den einzelnen Wagenkästen möglicherweise beschädigt oder so gar zerstört wird. In jedem Fall reicht die als Dämpfungseinrichtung dienende re generativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrichtung nicht zum Abdämpfen der insgesamt anfallenden Energie aus. Dadurch ist die regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrichtung dann nicht mehr in das Energieverzehrkonzept des Gesamtfahrzeuges eingebunden.
Um zu verhindern, dass in solch einem Crash-Fall die anfallende Stoßenergie di rekt auf das Fahrzeuguntergestell übertragen wird, ist es aus der Schienenfahr zeugtechnik allgemein bekannt, der als Dämpfungseinrichtung dienenden regene rativ ausgebildeten Energieabsorptionsvorrichtung eine Energieverzehreinrichtung nachzuschalten. Die Energieverzehreinrichtung spricht üblicherweise nach Über schreiten der Betriebslast der als Dämpfungseinrichtung dienenden regenerativ ausgebildeten Energieabsorptionsvorrichtung an und dient dazu, die anfallende Stoßenergie zumindest teilweise zu verzehren, d.h. in beispielsweise Wärmeener gie und Verformungsarbeit umzuwandeln. Das Vorsehen einer derartigen Energie verzehreinrichtung ist aus Gründen der Entgleisungssicherheit grundsätzlich emp fehlenswert, um zu verhindern, dass die in einem Crash-Fall anfallende Stoßener gie direkt auf das Fahrzeuguntergestell übertragen wird, und insbesondere um zu verhindern, dass das Fahrzeuguntergestell extremen Belastungen ausgesetzt und unter Umständen beschädigt oder gar zerstört wird.
Um sicherzustellen, dass in dem Energieverzehrkonzept des Gesamtfahrzeuges sowohl im normalen Fährbetrieb auftretende Situationen als auch Crash-Situatio nen wirksam berücksichtigt werden können, ist dafür Sorge zu tragen, dass alle in das Energieverzehrkonzept eingebundenen Energieverzehreinrichtungen bzw. Energieabsorptionsvorrichtungen noch nicht angesprochen haben bzw. ordnungs gemäß funktionieren. Im Hinbl ick auf die destruktiv ausgebildeten Energiever zehreinrichtungen ist es zu diesem Zweck aus der Schienenfahrzeugtechnik bei spielsweise bekannt, dass die Energieverzehrvorrichtung eine Art„Verformungs anzeige" aufweisen kann, welche ausgelegt ist, nach bzw. beim Ansprechen der destruktiv ausgebildeten Energieverzehreinrichtung die Inanspruchnahme des Energieverzehrelements anzuzeigen. Mit einer solchen Verformungsanzeige ist es möglich, in einer einfachen Weise zu entscheiden, ob oder ob nicht das Energie verzehrelement der Energieverzehreinrichtung bereits (teilweise oder vollständig) ausgelöst hat.
In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die Druckschrift
EP 2 072 370 Al verwiesen, welche eine derartige (mechanische) Verformungsan zeige für destruktiv ausgebildete Energieverzehreinrichtungen beschreibt. Die aus diesem Stand der Technik bekannte Verformungsanzeige weist eine Triggerung auf, welche bei einer plastischen Verformung des Energieverzehrelements an spricht und die Verformungsanzeige initiiert. Im Einzelnen wird in der
EP 2 072 370 Al dem Fachmann gelehrt, als Verformungsanzeige ein Signalele ment, wie beispielsweise ein Signalblech, einzusetzen, welches über ein als Trig gerung dienendes Abscherelement an dem Energieverzehrelement fixiert ist, wo bei das Abscherelement bei einer plastischen Verformung des Energieverzehrele ments abschert und seine Flaltefunktion verliert, so dass dann das Signalblech nicht mehr an dem Energieverzehrelement fixiert ist und somit leicht erkannt wer den kann, dass das destruktiv ausgebildete Energieverzehrelement bereits ange sprochen hat.
Obgleich mit einer solchen an sich bekannten Lösung sichergestellt werden kann, dass die destruktiv ausgebildeten Energieverzehreinrichtungen einer Energiever zehrvorrichtung wirksam zur Verfügung stehen und mit in das Gesamt-Energiever- zehrkonzept das Fahrzeuges eingebunden sind, ist nicht sichergestellt, dass an dere Komponenten der Energieverzehrvorrichtung, insbesondere regenerativ aus gebildete Energieabsorptionsvorrichtungen, auch nach einer längeren Betriebszeit noch ordnungsgemäß funktionieren.„Ordnungsgemäß funktionieren" bedeutet in diesem Sinne, dass sich das Ansprech- und Dämpfungsverhalten der regenerativ ausgebildeten Energieabsorptionsvorrichtungen nicht oder nicht im Wesentlichen im Vergleich zur ursprünglichen Auslegung verändert hat.
Andererseits ist die oben im Zusammenhang mit der Druckschrift EP 2 072 370 Al diskutierte Lösung nicht auf regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrich tungen anwendbar, da das Ansprechen der aus diesem Stand der Technik be kannten Verformungsanzeige eine plastische Verformung des Energieverzehrele ments voraussetzt, also eine nicht-regenerative Verformung. Eine solche nicht-re generative Verformung ist bei Energieabsorptionsvorrichtungen der hierin berück sichtigten Art grundsätzlich nicht vorgesehen.
Auf Grundlage dieser Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Auf gabe zu Grunde, eine regenerativ ausgebildete Energieabsorptionsvorrichtung an zugeben, bei der in einer einfach zu realisierenden Weise sichergestellt werden kann, dass bedarfsweise eine Stoßdämpfung stets nach einem vorab festgelegten oder festlegbaren Ereignisablauf stattfindet, ohne dass hierzu die einzelnen Kom ponenten der Energieabsorptionsvorrichtung individuell und regelmäßig zu über prüfen sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen der dort angege benen regenerativen Energieabsorptionsvorrichtung in den entsprechenden ab hängigen Patentansprüchen angegeben sind.
Demgemäß betrifft die Erfindung insbesondere eine regenerative Energieabsorpti onsvorrichtung zum Abdämpfen von im (normalen) Betrieb eines spurgeführten Fahrzeuges auftretenden Kräften, insbesondere Zug-, Stoß- und/oder Torsions kräften, wobei die Energieabsorptionsvorrichtung mindestens eine Federeinrich tung mit einem Elastomerkörper aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass sich dieser bei Einleiten von Kräften in die Energieabsorptionsvorrichtung zumin dest bereichsweise elastisch verformt. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorge sehen, dass der Elastomerkörper zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei Zug- und/oder Druckbelastung variiert, wobei der Energieabsorptionsvorrichtung eine Widerstandssensoreinrichtung zugeordnet ist zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit oder eines elektrischen Widerstandes des elektrisch leitfähigen Mate rials.
Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile liegen auf der Hand: indem der Elastomerkörper der zur Energieabsorptionsvorrichtung gehörenden Federeinrichtung zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Mate rial gebildet ist, kann das Material des Elastomerkörpers, also im übertragenen Sinne der Elastomerkörper selber als Teil einer Sensorik verwendet werden, wel cher ausgebildet ist, direkt oder indirekt einen Lastwechsel, dem der Elastomer körper unterzogen ist, zu ermitteln oder abzuschätzen. Bei diesem Lastwechsel, dem der Elastomerkörper unterzogen ist, handelt es sich insbesondere um eine auf den Elastomerkörper der Federeinrichtung wirkende mechanische Zug-,
Druck- oder Torsionsspannung.
Demnach kann mit Hilfe der in dem Material der Energieabsorptionsvorrichtung zumindest bereichsweise oder teilweise integrierten Sensorik wirksam die Funkti onsweise der Energieabsorptionsvorrichtung überwacht werden, und zwar indem beispielsweise mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung über einen vorab fest gelegten oder festlegbaren Zeitraum bei einer Kraftübertragung über die Energie absorptionsvorrichtung auftretende Belastungen des Elastomerkörpers erfasst werden. Daraus kann ein Gesamt-Lastwechsel oder eine Gesamt-Belastung des Elastomerkörpers oder andere Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung ermittelt werden. Insbesondere kann dann eine, eine Wartung und/oder einen Austausch des Elastomerkörpers oder einer anderen Komponente der Energie absorptionsvorrichtung betreffende Information in Abhängigkeit von dem ermit telten Gesamt-Lastwechsel und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung ausgege ben werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es mit der Widerstandssensoreinrichtung möglich, beim Betrieb der Energieabsorptionsvorrichtung unter Umständen auftretenden Degenerationen des (Elastomer-)Materials des Elastomerkörpers frühzeitig zu er kennen. Insbesondere kann somit mit der Widerstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers, der Teil einer Sensorik dar stellt, wirksam das Auftreten von Betriebszuständen erfasst werden, welche zu ei ner insbesondere nicht unmittelbar ersichtlichen Be- oder Vorschädigung der re generativen Energieabsorptionsvorrichtung führen. Insbesondere kann aufgrund des Vorsehens dieser Sensorik (Widerstandssensoreinrichtung in Kombination mit dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers) auf eine Sichtprüfung bei der Überwachung der regenerativ ausgebildeten Energieabsorptionsvorrich tung verzichtet werden.
Darüber hinaus sind mit der Widerstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers wirksam etwaige Abnutzungen oder Vorschädigungen von anderen Komponenten insbesondere der Energieabsorpti onsvorrichtung erfassbar, wie insbesondere Abnutzungen von weiteren in der Energieabsorptionsvorrichtung zum Einsatz kommenden regenerativ ausgebilde ten Dämpfungselementen, wie beispielsweise Elastomerlager. Dies ist insbeson dere deshalb von Vorteil, da - wie auch der Elastomerkörper der Energieabsorpti onsvorrichtung - diese Komponenten in der Regel nicht frei zugänglich sind und somit eine Überprüfung durch Sichtprüfung sehr aufwendig wäre.
Insbesondere kann mit der erfindungsgemäßen Lösung frühzeitig und zuverlässig eine Vorschädigung von Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung erkannt und signalisiert werden, um dadurch mögliche Folgeschäden und damit verbun dene Ausfälle des Gesamtsystems durch nichtplanmäßige Instandhaltungsmaß nahmen zu vermeiden. Die hierzu zum Einsatz kommende Sensorik in Gestalt der Widerstandssensoreinrichtung in Kombination mit dem elektrisch leitfähigen Mate rial des Elastomerkörpers zeichnet sich durch einen kompakten und kostengünsti gen Aufbau aus, so dass eine freie Zugänglichkeit der zu überwachten Bauteile der Energieabsorptionsvorrichtung und insbesondere des Elastomerkörpers der Energieabsorptionsvorrichtung, nicht mehr notwendig ist.
Zudem kann eine On-Board-Diagnose realisiert werden, um dem Fahrzeugsystem eine frühzeitige Diagnose zu ermöglichen und die Wartung zu vereinfachen. Bei einer solchen On-Board-Diagnose erfolgt vom Fahrzeugsystem eine automatische Abfrage der Widerstandssensoreinrichtung bzw. einer der Widerstandssensorein richtung zugeordneten Auswerteeinrichtung. Dadurch, dass mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung eine elektrische Leitfä higkeit oder ein elektrischer Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials des Elastomerkörpers erfasst wird, wobei diese Daten anschließend einer weiteren Auswertung zu Grunde gelegt werden, kann insbesondere auch auf externe Sen soren, insbesondere Dehnungssensoren (Dehnungsmessstreifen oder Dehnungs aufnehmer) verzichtet werden. Insbesondere ist es mit der vorliegenden Erfin dung nicht mehr erforderlich, entsprechende Sensoren an bestehende Strukturen von außen zu befestigen, wie beispielsweise anzuschrauben, in Folge dessen in struktureller Hinsicht die Komponenten und insbesondere der Elastomerkörper der Energieabsorptionsvorrichtung verändert werden müsste. Auch beeinflusst das elektrisch leitfähige Material des Elastomerkörpers, welches im übertragenen Sinne die Funktion eines Dehnungssensors übernimmt, nicht die Dämpfungseigen schaft des Elastomerkörpers, so dass die dynamischen Eigenschaften des
Elastomerkörpers unangetastet bleiben.
Zur Ausbildung des elektrisch leitfähigen Bereichs im Material des Elastomerkör pers kommen verschiedene Lösungen in Frage. Gemäß bevorzugten Ausführungs formen ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material bzw. der elektrisch leitfähige Bereich im Material des Elastomerkörpers durch mindestens ein insbe sondere metall- oder kohlenstoffbasiertes Füllstoffnetzwerk in einem Polymerma terial gebildet wird. Das Füllstoffnetzwerk wird insbesondere durch metall- oder kohlenstoff basierte Füllstoffpartikel gebildet, die in einer Matrix des Polymermate rials aufgenommen sind. Dabei ist es von Vorteil, dass das Polymermaterial des elektrisch leitfähigen Materials mit einem Polymermaterial übereinstimmt, aus welchem der Elastomerkörper gebildet ist. Auf diese Weise wird durch die In tegration der„Sensorik" in den Elastomerkörper das dynamische Dämpfungsver halten des Elastomerkörpers nicht beeinflusst.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird weitestgehend auf das Hinzufügen von separaten, aktiven und/oder passiven Bauelementen zu der Energieabsorptions vorrichtung verzichtet. Das Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Bereiches in dem Material des Elastomerkörpers erfordert keine elektrische Infrastruktur, die den besonderen Bedingungen im Fährbetrieb angepasst sein und beispielsweise lokalen Deformationen mit einer hohen Anzahl von Wiederholungen sowie Tempe raturbereichen zwischen minus 50° bis +50° widerstehen muss. Natürlich ist es möglich, dem elektrisch leitfähigen Material im Elastomerkörper mit rußbeschichteten Fäden, Rußdispersionen (Ruß-Tinte, Ruß-Paste, rußhaltige Lösungen), Fäden, die mit Ruß-Tinte oder Ruß-Pasta benetzt wurden, leitende (vernetzte) Gummifäden oder ähnliche Elemente einzusetzen. Allerdings wird das dynamische Verhalten des Elastomerkörpers vollständig unangetastet gehalten, wenn leitende Füllstoffe, wie CNT (=Carbon Nanotubes), Graphen, Grafit oder Metallpulver, insbesondere Amorphiszinnoxid, in das Polymermaterial des
Elastomerkörpers eingebettet werden.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden leitfähige Materialien wie Ruß, Grafit, Carbon, Carbon Nanotubes, Kupfer, Gold, Silber, etc. in die Polymermatrix eingearbeitet. Ab einem bestimmten Füllgrad bilden diese Polymere ein elektrisch leitfähiges Netzwerk. Wird das Polymermaterial einer Zugbelastung oder Druckbe lastung ausgesetzt, so ändert sich der Widerstand aufgrund der Querschnittsver engung und der Veränderung der Partikelverteilung in der Polymermatrix. Durch diesen Aufbau können verschiedene Ausdehnungen des Elastomerkörpers gemes sen werden. Untersuchungen haben in diesem Bereich ergeben, dass das elasti sche und elektrisch leitfähige Material des Elastomerkörpers als Sensormaterial zur Feststellung und Messung von Zugbelastung oder Druckbelastung eingesetzt werden kann. Die sensorischen Eigenschaften verbessern sich bei zunehmenden Füllgrad des Polymermaterials, obgleich sich die mechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Polymermaterials verschlechtern.
Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn nicht das gesamte Polymermaterial des Elastomerkörpers mit entsprechenden leitfähigen Partikeln versetzt wird, sondern nur einzelne Bereiche des Polymermaterials mit einem entsprechenden Füllstoff netzwerk versehen werden. In vorteilhafter Weise liegen diese Bereiche in einem Bereich des Elastomerkörpers, durch den beim Abdämpfen von im Betrieb des spurgeführten Fahrzeuges mindestens ein vorab berechneter Lastpfad verläuft.
Die sensorischen Eigenschaften dieses elektrisch leitfähigen Bereiches des Elastomerkörpers werden dann mit der Widerstandssensoreinrichtung ausgenutzt, um entsprechende Daten, die indikativ für einen auf den Elastomerkörper ein wirkenden bzw. eingewirkten Lastwechsel und/oder indikativ auf eine Degenera tion des Materials des Elastomerkörpers sind. Gemäß Realisierungen der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Widerstandssensoreinrichtung ausgebildet ist, die elektri sche Leitfähigkeit und/oder den elektrischen Widerstand zwischen mindestens zwei Messpunkten im elektrisch leitfähigen Material des Elastomerkörpers zu er fassen, wobei hierzu die Widerstandssensoreinrichtung mindestens einen vorzugs weise potenzialfrei arbeitenden Messaufnehmer aufweist. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass die vorzugsweise potenzialfrei arbeitenden Messaufnehmer derart angeordnet sind, dass der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials im Elastomerkörper über verschiedene Raumachsen bestimmt wird, um so eine Aussage über Zugbe lastungen oder Druckbelastungen bzw. Dehnungsbelastungen des Elastomerkör pers in unterschiedlichen Raumachsen erhalten zu können.
Die Widerstandssensoreinrichtung weist in bevorzugter Weise eine insbesondere kabellos arbeitende Schnittstelleneinrichtung auf, über welche von der Wider standssensoreinrichtung erfasste und optional ausgewertete Daten vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar sind.
So ist es beispielsweise denkbar, dass der Widerstandssensoreinrichtung eine ent sprechende Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, welche ausgebildet ist, die von der Widerstandssensoreinrichtung erfassten Daten bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes entsprechend auszuwerten. Zum Auswerten der ermittelten Leitfähigkeits- bzw. Widerstandsdaten werden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diese Messdaten mit entsprechen den Bezugsdaten verglichen, wobei die Bezugsdaten vorzugsweise im Rahmen ei ner Kalibrierung zuvor aufgenommen wurden. Dabei liegt der Erfindung die Er kenntnis zu Grunde, dass sich beispielsweise durch mechanischen Verschleiß des Elastomerkörpers die Dehnungseigenschaften und damit die Dämpfungseigen schaften des Elastomerkörpers ändern und von einem idealen Zustand (Soll-Zu- stand) abweichen. Der Grad bzw. das Ausmaß der Änderung bzw. der Abweichung von dem Soll-Zustand kann dann als Indiz für eine fehlerhafte Funktionsweise des Elastomerkörpers bzw. für einen Verschleiß des Elastomerkörpers dienen.
Potenzielle Abweichungen der Funktionsweise des überwachten Elastomerkörpers bzw. ein potenzieller Verschleiß des Elastomerkörpers werden somit durch die Wi derstandssensoreinrichtung und dem elektrisch leitfähigen Bereich des Materials des Elastomerkörpers, der als Sensormaterial dient, detektiert und Abweichungen io
von einem erwarteten Soll-Zustand werden entweder über Fehlermeldungen an den Betreiber des spurgeführten Fahrzeuges oder über eine Re mote -Control - Schnittstelle an einen zuständigen Wartungsservice, insbesondere Fernwartungs service, übermittelt.
Die Fernwartung (Remote Maintenance) von Komponenten eines spurgeführten Fahrzeuges gewinnt beim Support der Hard - und Software von Zulieferern in der Schienenfahrzeugtechnik zunehmend an Bedeutung. Durch die immer stärkere Vernetzung der Steuersysteme über das Internet, dem Aufbau von firmeninternen Intranets und herkömmliche Telekommunikationswege (ISDN, Telefon, etc.) er weitern sich die Möglichkeiten der direkten Unterstützung im Support. Nicht zu letzt wegen der Einsparungsmöglichkeiten bei Reisekosten und die bessere Res sourcennutzung (Personal und Technik) werden Produkte der Fernwartung zur Kostensenkung in Unternehmen genutzt. Fernwartungsprogramme ermöglichen es dem entfernt sitzenden Servicetechniker, direkt auf den überwachten Elastomer körper bzw. Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung zuzugreifen und de ren Status abzufragen, um vorausschauende Gegenmaßnahmen, wie beispiels weise Wartungsintervalle, einzuplanen und durchzuführen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist der Widerstandssensoreinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet zum Speichern von insbesondere im Betrieb des Schienenfahrzeuges in dem Elastomerkörper eingeleiteten Dehnungen, Stau chungen und Scherbeanspruchungen bzw. anderer relevanten Informationen und Daten, wobei die Speichereinrichtung insbesondere ausgebildet ist, vorzugsweise alle mit der Widerstandssensoreinrichtung erfassten Daten und Informationen zu mindest für eine vorab festgelegte oder festlegbare Zeitperiode dauerhaft zu speichern. Dabei bietet es sich an, dass die Speichereinrichtung ausgebildet ist, vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar zu sein.
Indem in Hinblick auf den Betrieb des überwachten Elastomerkörpers relevante Informationen und Daten und insbesondere Dehnungen, Stauchungen und Scher beanspruchungen des Elastomerkörpers im Betrieb des Schienenfahrzeuges ge speichert werden, kann der entsprechende Betrieb und die Belastung des
Elastomerkörpers dokumentiert werden, um so auch Wartungsintervalle vorhersa gend einplanen zu können. Insbesondere ist gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgese hen, dass der Widerstandssensoreinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet ist zum Dokumentieren von über einen vorabfestgelegten oder festlegbaren Zeit raum bei einer Kraftübertragung auftretenden Belastungen (Dehnungen, Stau chungen und Scherbeanspruchungen in unterschiedlichen Raumrichtungen) des Elastomerkörpers zu dokumentieren. Es bietet sich in diesem Zusammenhang an, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, um einen Gesamt-Lastwechsel und/oder eine Gesamt-Belastung des Elastomerkörpers zu ermitteln, und zwar auf Grundlage der dokumentierten Belastungen. In diesem Zusammenhang sollte die Auswerteeinrichtung ferner ausgebildet sein, eine eine Wartung und/oder einen Austausch des Elastomerkörpers bzw. einer anderen Komponente der Energie absorptionsvorrichtung betreffende Information in Abhängigkeit von dem ermit telten Gesamt-Lastwechsel und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung auszuge ben.
Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung, wie beispielsweise der Elastomerkörper, ausge tauscht oder gewartet werden müssen, wenn sich die ertragbaren Belastungen bis zu einem fest definierten Wert aufsummiert haben. Bislang erfolgt eine Überprü fung oder Wartung über eine Dokumentation der jährlichen Lastwechsel, was in der Regel auf einer Schätzung basiert. Darin liegt eine große Ungenauigkeit, da tatsächlich nicht genau bekannt ist, wie viele Lastwechsel wirklich stattgefunden haben und wie hoch dabei die Beanspruchung war.
Mit der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise das Lastkollektiv mitgeschrie ben werden, was einen größeren Ausnutzungsgrad der Komponenten der Energie absorptionsvorrichtung bzw. des Elastomerkörpers ermöglicht. Dadurch kann ins besondere die Lebensdauer der Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung erhöht werden. Ferner ist es möglich, dass schon vorher erkannt wird, wann und welche Komponenten der Energieabsorptionsvorrichtung ausgetauscht werden müssen. Dadurch kann ein entsprechender Ersatz vorab beschafft werden und die Ausfallzeiten werden minimiert und die Prozesssicherheit deutlich erhöht.
In diesem Zusammenhang ist es grundsätzlich denkbar, dass der Auswerteeinrich tung mindestens eine Anzeigeeinrichtung, insbesondere in Gestalt eines Displays und/oder mindestens einer Lichtquelle, zugeordnet ist zum optischen Anzeigen des ermittelten Gesamt-Lastwechsels und/oder der ermittelten Gesamt-Belastung und/oder entsprechenden Informationen diesbezüglich.
Alternativ oder zusätzlich bietet es sich an, dass die Auswerteeinrichtung eine di gitale Schnittstelle aufweist, insbesondere eine Modbus-, CAN-, CANopen-, IO- Link- und/oder Ethernet-kompatible Schnittstelle, um mit einer externen Vorrich tung entsprechend kommunizieren zu können. Auf diese Weise kann insbesondere eine On-Board-Diagnose realisiert werden, um dem Fahrzeugsystem eine frühzei tige Diagnose zu ermöglichen und eine Wartung zu vereinfachen. Bei einer sol chen On-Board-Diagnose erfolgt vom Fahrzeugsystem vorzugsweise eine automa tische Abfrage der Auswerteeinrichtung oder der entsprechenden Widerstands sensoreinrichtung.
Der mindestens eine Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Material ist vorzugs weise in einem Bereich des Elastomerkörpers ausgebildet, welcher im Betrieb des spurgeführten Fahrzeuges sich oft wiederholende Dehnungen, Stauchungen und/oder Scherbeanspruchungen ausgesetzt ist.
Wie bereits ausgeführt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass der Bereich mit dem elektrisch leitfähigen Material durch min destens ein insbesondere metall- oder kohlenstoffbasiertes Füllstoffnetzwerk in einem Polymermaterial gebildet wird, wobei hierzu insbesondere metall- oder kohlenstoff basierte Füllstoffpartikel zum Einsatz kommen, die in einer Matrix des Polymermaterials aufgenommen sind. Gemäß Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung werden als Füllstoffe unterschiedliche elektrisch leitfähige Kohlen stoffallotrope eingesetzt, die sich in ihren geometrischen Strukturen unterschei den können. Beispielsweise kann als Füllstoff Ruß (engl. : Carbon Black, CB) ver wendet werden, der typischerweise aus nahezu kugelförmigen Partikeln von 50 nm Durchmesser besteht. Die Ausdehnung liegt in allen drei Dimensionen im Na nometer-Bereich. Andererseits können alternativ oder zusätzlich hierzu Kohlen- stoffnanoröhrchen (engl. : Carbon Nanotubes, CNT) als Füllstoff verwendet wer den, die der Form eines Zylinders gleichen, und die einen Radius im Bereich von wenigen Nanometern und eine Länge, die im Mikrometer-Bereich liegt, aufweisen. Als weiterer Füllstoff können Graphen-Nanoplättchen (engl. : Graphene Nanoplate- lets, GNT) eingesetzt werden, deren Struktur einem Plättchen ähnelt. Die Dicke liegt dabei im Bereich von wenigen Nanometern, während die laterale Ausdeh nung der Plättchen im Mikrometer-Bereich liegt. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es selbstverständlich aber auch denkbar, wenn zumindest bereichsweise das Füll Stoff netzwerk gebildet wird durch in Elastomermaterial des Elastomerkörpers eingebettete Textile und metallische Fes tigkeitsträger, welche mit einer elektrisch leitfähigen Faser oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind. In diesem Fall können diese im
Elastomermaterial bereits integrierten Textile und metallische Festigkeitsträger als elektrische Leiterbahnen genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung kann insbesondere Teil ei ner Kupplungs- oder Gelenkanordnung eines spurgeführten Fahrzeuges sein, wo bei diese Kupplungs- oder Gelenkanordnung zum gelenkigen Verbinden zweier be nachbarter Wagenkästen dient. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Ver wendung der Energieabsorptionsvorrichtung in einer Dämpfungsanordnung, bei spielsweise in einem Seitenpuffer eines spurgeführten Fahrzeuges.
Bei diesen Anwendungen ist es durch das Vorsehen der Widerstandssensorein richtung und dem in dem Material des Elastomerkörpers ausgebildeten Sensorma terial (dem elektrisch leitfähigen Bereich) möglich, die Funktionsweise der Kupp lungs- oder Gelenkanordnung bzw. der Dämpfungsanordnung in intelligenter Weise zu überwachen.
Hierbei wird mit Hilfe der Widerstandssensoreinrichtung über einen vorab festge legten oder festlegbaren Zeitraum bei einer Kraftübertragung auftretende Belas tungen des Elastomerkörpers erfasst und vorzugsweise daraus ein Gesamt-Last- wechsel oder eine Gesamt-Belastung ermittelt, wobei eine eine Wartung und/oder einen Austausch einer Komponente der Energieabsorptionsvorrichtung betref fende Information in Abhängigkeit von dem ermittelten Gesamt-Lastwechsel und/oder in Abhängigkeit der ermittelten Gesamt-Belastung ausgegeben wird.
Um einen möglichst autarken Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung zu er möglichen, und um insbesondere aufwendige Verkabelungen der Widerstands sensoreinrichtung mit dem Fahrzeugkörper zu verhindern, ist insbesondere vorge sehen, dass die Widerstandssensoreinrichtung ausgebildet ist, nur bei vorab fest gelegten oder festlegbaren Zeiten und/oder Ereignissen (beispielsweise während eines Kupplungsvorganges) eine elektrische Leitfähigkeit oder einen elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Bereiches in dem Elastomermaterial zu er fassen. Beispielsweise ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass die Wider standssensoreinrichtung aktiviert (getriggert) wird, sobald über eine entspre chende Sensorik das Einleiten einer einen vorab festgelegten Schwellwert über schreitenden Kraft in die Energieabsorptionsvorrichtung erfasst wird.
Auf diese Weise kann der Verbrauch von elektrischer Energie durch die Wider standssensoreinrichtung minimiert werden.
Gemäß Weiterbildungen insbesondere des zuletzt genannten Aspekts weist die Widerstandssensoreinrichtung mindestens einen Generator, insbesondere einen Nanogenerator auf, um das Konzept des„Energy Flarvesting" umzusetzen. Mit diesem Generator, insbesondere Nanogenerator, kann die Widerstandssensorein richtung zumindest einen Teil der beim Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung von dieser benötigten elektrischen Energie aus der unmittelbaren Umgebung der Widerstandssensoreinrichtung gewonnen werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass mit Hilfe des Nanogenerators aus einer Vibration des Elastomerkörpers ent sprechende elektrische Energie gewonnen wird. Zweckmäßigerweise kann zur Übertragung der von der Widerstandssensoreinrichtung gewonnen Informationen an die nächstliegende Datenschnittstelle vorteilhaft eine Low-Power Near-Field- Communication (NFC-)Lösung, beispielsweise ZigBee oder Bluetooth LE oder an dere geeignete Standards verwendet werden
Mit diesem Aspekt ist eine vollkommen drahtlose Realisierung der Widerstands sensoreinrichtung denkbar, wobei Einschränkungen durch kabelgebundene Strom versorgung oder Batterien und/oder kabelgebundene Kommunikationstechniken vermieden werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
FIG. 1 schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine erste
Ausführungsform einer Kupplungsanlenkung für eine Mittel pufferkupplung eines spurgeführten Fahrzeuges, insbeson- dere Schienenfahrzeuges, wobei in dieser Kupplungsanlen- kung eine exemplarische Ausführungsform der erfindungsge mäßen Energieabsorptionsvorrichtung zum Einsatz kommt;
FIG. 2 die Kupplungsanlenkung gemäß FIG. 1 in einer Seiten
schnittansicht;
FIG. 3 schematisch und in einer Seitenschnittansicht eine zweite
Ausführungsform einer Kupplungsanlenkung für einen Wa genkasten eines mehrgliedrigen Fahrzeuges mit einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung;
FIG. 4 schematisch und in einer isometrischen Ansicht die bei der
Kupplungsanlenkung gemäß FIG. 3 zum Einsatz kommende Energieabsorptionsvorrichtung („Sphärolager");
FIG. 5 schematisch und in einer Schnittansicht die Energieabsorpti onsvorrichtung gemäß FIG. 4;
FIG. 6 das Schaltbild einer exemplarischen Ausführungsform einer
Widerstandssensoreinrichtung der erfindungsgemäßen Ener gieabsorptionsvorrichtung; und
FIG. 7 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Wider standssensoreinrichtung mit Auswerteeinrichtung und Schnittstelleneinrichtung der erfindungsgemäßen Energie absorptionsvorrichtung.
In FIG. 1 ist schematisch und in einer isometrischen Ansicht eine Kupplungsan lenkung 10 einer Mittelpufferkupplung für Schienenfahrzeuge gezeigt, wobei in dieser Kupplungsanlenkung 10 eine exemplarische Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung zum Einsatz kommt. Die Darstel lung in FIG. 2 zeigt die Kupplungsanlenkung 10 gemäß FIG. 1 in einer Seiten schnittansicht. In der dargestellten Kupplungsanlenkung 10 ist eine Energieabsorptionsvorrich tung integriert, welche insgesamt drei Federeinrichtungen mit jeweils einem ring förmigen Elastomerkörper 1 aufweist. Diese ringförmigen Elastomerkörper 1 der Federeinrichtungen sind derart ausgelegt, dass Zug- und Stoßkräfte bis zu einer definierten Größe aufgenommen und darüberhinausgehende Kräfte über den La gerbock 11 in das Fahrzeuguntergestell weitergeleitet werden.
Die in FIG. 1 und FIG. 2 dargestellte Kupplungsanlenkung 10 umfasst den hinte ren Teil einer Kupplungsanordnung und dient dazu, den Kupplungsschaft 15 einer Mittelpufferkupplung über den Lagerbock 11 an einer (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Anschraubplatte eines Wagenkastens horizontal schwenkbar anzu lenken.
Da bei der in FIG. 1 und FIG. 2 dargestellten Kupplungsanlenkung 10 die als Dämpfungseinrichtung dienende regenerative Energieabsorptionsvorrichtung mit den ringförmigen Elastomerkörpern 1 innerhalb des Lagerbockes 11 aufgenom men ist, weist der Lagerbock 11 eine im Hinblick auf die ringförmigen Elastomer körper 1 angepasste Konfiguration auf. Im Einzelnen weist der Lagerbock 11 eine Käfig- bzw. Gehäusestruktur 16 auf, mit welcher die Lagerschalen des Lagers mit einem vertikal verlaufenden Flansch verbunden sind.
Im Betrieb der Kupplungsanlenkung 10 werden über den Kupplungsschaft 15 Zug oder Druckkräfte in die Energieabsorptionsvorrichtung eingeleitet. Im Einzelnen bewegt sich bei Einleiten von Zug- oder Druckkräften der Kupplungsschaft 15 re lativ zu der Käfig- bzw. Gehäusestruktur 16 des Lagerbockes 11, wobei dabei die Elastomerkörper 1 der Energieabsorptionsvorrichtung entsprechend deformiert werden, um die übertragenen Zug- oder Druckkräfte abzudämpfen.
Wie in FIG. 2 schematisch angedeutet, ist bei dieser exemplarischen Ausfüh rungsform ein Elastomerkörper 1 der in der Käfig- bzw. Gehäusestruktur 16 des Lagerbockes 11 aufgenommenen Energieabsorptionsvorrichtung bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material 2 gebildet, wobei dieser Bereich als Sen sormaterial dient. Das elektrisch leitfähige Material 2 des Elastomerkörpers 1 ist derart ausgebildet, dass sein spezifischer elektrischer Widerstand bzw. seine elektrische Leitfähigkeit bei Zug- und/oder Druckbelastung des Bereiches aus dem elektrisch leitfähigen Material 2 variiert. In vorteilhafter Weise ist der elektrisch leitfähige Bereich 2 des Elastomerkörpers 1 durch ein Füllstoffnetzwerk, welches metall- oder kohlenstoff basierte Füllstoff- partikel aufweist, gebildet. Das Füllstoffnetzwerk bzw. die Füllstoffpartikel sind in einer Matrix des Polymermaterials aufgenommen, aus welchem auch der übliche Bereich des Elastomerkörpers 1 gebildet ist.
Obgleich es der schematischen Darstellung in FIG. 2 nicht unmittelbar entnom men werden kann, ist der mindestens eine elektrisch leitfähige Bereich 2 des Ma terials des Elastomerkörpers 1 in einem Bereich des Elastomerkörpers 1 ausgebil det, in welchem bei Druck- oder Zugübertragung bzw. Einleitung in die Energie absorptionsvorrichtung ein Lastpfad vorzugsweise in einer bestimmten Raumrich tung verläuft.
Die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand des als Sensormate rial dienenden Bereiches 2 des Elastomerkörpers 1 wird mit Hilfe einer Wider standssensoreinrichtung 3 gemessen bzw. erfasst. Hierzu weist die Widerstands sensoreinrichtung 3 mindestens einen vorzugsweise potentialfrei arbeitenden Messaufnehmer auf. Eine Ausführungsform einer solchen Widerstandssensorein richtung 3 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Darstellung in FIG. 5 nä her beschrieben.
In FIG. 3 ist in einer schematischen Längsschnittansicht eine weitere exemplari sche Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrich tung gezeigt. Im Einzelnen zeigt FIG. 3 schematisch und in einer Seitenschnittan sicht eine Kupplungsanlenkung 10 mit einer Ausführungsform der erfindungsge mäßen Energieabsorptionsvorrichtung. In diesem Fall ist die Energieabsorptions vorrichtung als Sphärolager 13 ausgebildet.
Im Einzelnen umfasst die Kupplungsanlenkung 10 gemäß FIG. 3 einen an einer Stirnseite eines Wagenkastens im Wesentlichen starr angebrachten Lagerbock 11 sowie eine Gelenkanordnung 12, welche eine regenerative Energieabsorptionsvor richtung in Gestalt eines Sphärolagers und einen vertikal verlaufenden Schwenk bolzen 14 aufweist. Die Gelenkanordnung 12 dient dazu, eine Kupplungsstange 15 mit dem Lagerbock 11 gelenkig zu verbinden, wobei der wagenkastenseitige End abschnitt der Kupplungsstange 15 über die Gelenkanordnung 12 derart mit dem Lagerbock 11 verbunden ist, dass zumindest teilweise eine horizontale und verti kale Bewegung der Kupplungsstange 15 relativ zum Lagerbock 11 möglich ist. Im Einzelnen ist ein horizontales Verschwenken der Kupplungsstange 15, d.h. ein Verschwenken der Kupplungsstange 15 innerhalb der horizontalen Kupplungs ebene, durch das Vorsehen des vertikal zur horizontalen Kupplungsebene verlau fenden Schwenkbolzens 14 möglich. Durch den Schwenkbolzen 14 läuft die verti kale Mittenlängsachse, welche senkrecht auf der horizontalen Kupplungsebene steht. Der Schnittpunkt zwischen der Mittenlängsachse und der horizontalen Kupplungsebene bezeichnet den Drehpunkt, um welchen die Kupplungsstange 15 relativ zu dem im Wesentlichen starr an dem Wagenkasten angeflanschten oder andersartig befestigten Lagerbock 11 horizontal oder vertikal verschwenkbar ist.
In der Gelenkanordnung 12 der in FIG. 3 dargestellten Ausführungsform ist eine regenerative Energieabsorptionsvorrichtung vorgesehen, welche dazu dient, die im normalen Fährbetrieb über die Kupplungsstange 15 eingeleiteten Zug- oder Druckkräfte abzudämpfen. Die Energieabsorptionsvorrichtung ist Teil eines Sphärolagers 13 und weist eine Federeinrichtung mit einem Elastomerkörper 1 auf, welcher derart ausgebildet ist, dass sich diese bei Einleiten von Kräften in die Energieabsorptionsvorrichtung zumindest teilweise elastisch verformt.
Eine Ausführungsform des bei der Gelenkanordnung 12 gemäß FIG. 3 zum Einsatz kommenden Sphärolagers 13 ist in einer schematischen und isometrischen An sicht in FIG. 4 und in einer entsprechenden Schnittansicht in FIG. 5 gezeigt.
Wie es insbesondere der Schnittansicht gemäß FIG. 5 entnommen werden kann, ist der Elastomerkörper 1 der Energieabsorptionsvorrichtung bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material 2 gebildet. Wie auch bei der zuvor beschrie benen Ausführungsform gemäß FIG. 1 bzw. FIG. 2 ist der elektrisch leitfähige Be reich 2 des Materials des Elastomerkörpers 1 derart ausgebildet, dass sein spezifi scher elektrischer Widerstand bzw. seine elektrische Leitfähigkeit bei Zug- und/o der Druckbelastung variiert.
Dem Elastomerkörper 1 gemäß FIG. 5 ist ferner eine Widerstandssensoreinrich tung 3 zugeordnet, mit Hilfe welcher eine elektrische Leitfähigkeit oder ein elektrischer Widerstand des elektrisch leitfähigen Materialbereiches 2 des
Elastomerkörpers 1 erfasst werden kann. Eine Ausführungsform der Widerstandssensoreinrichtung 3 wird anschließend un ter Bezugnahme auf das Schaltdiagramm gemäß FIG. 6 näher beschrieben.
Die in FIG. 6 schematisch mit Hilfe eines Schaltdiagramms bzw. Ersatzschaltbildes gezeigte Widerstandssensoreinrichtung 3 dient dazu, die Leitfähigkeit bzw. den elektrischen Widerstand zwischen mindestens zwei Punkten im elektrisch leitfähi gen Elastomermaterial 2 des Elastomerkörpers 1 durch einen dedizierten Messauf nehmer zu erfassen. Dies kann beispielsweise durch eine bezugspotentialfrei dif- ferenziell messende Anordnung nach FIG. 6 erfolgen.
Die optimale Lage der Messpunkte im Elastomermaterial 2 muss jeweils in Abhän gigkeit der Geometrie des Elastomerkörpers 1 bestimmt werden. Der Messbereich der Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes (Rm) des als Sensormaterial dienenden elektrisch leitfähigen Elastomerkörpermaterials ist in Abhängigkeit der vorliegenden Elastomermischung festzulegen. Die Frequenzbandbreite des ermit telten Signals u(t) wird im Wesentlichen durch die Bandbreite der auftretenden mechanischen (dynamischen) Belastung bestimmt.
Um den Änderungsbereich der elektrischen Leitfähigkeit einzugrenzen, sind unter Maßgabe der zusätzlich einzuhaltenden mechanischen Eigenschaften der jeweili gen Elastomer- bzw. Gummimischung auch Änderungen in der Zusammensetzung bzw. im Herstellungsprozess des Elastomers denkbar. Hiermit ließen sich in ge wissen Grenzen sogar die Kennwerte der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängig keit der auftretenden mechanischen Belastung einstellen.
Da unter Umständen die absoluten Werte der Leitfähigkeit des elektrisch leitfähi gen Bereiches des Elastomerkörpers 1 stark streuen können, ist es zweckmäßig, nach einem Kalibrierprozess nur die Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes Rm zu erfassen. Der Kalibrierprozess soll hier bei neben der mechanischen Grundstellung (Ruhelage) auch die spezifizierten Endlagen des betreffenden Gesamtsystems (bei Zugkupplungen: die betrieblichen Seiten und Höhenauslenkungen) beinhalten. Die Größe bzw. der Betrag der Wi derstandsänderung kann dann ein Maß der auftretenden mechanischen Belastung des eingebauten Elastomerkörpers 1 sein.
Bei Anordnung von mehreren Messaufnehmern, zum Beispiel in sinnvoll gewähl ten Raumachsen, ist es zudem denkbar, einen Vektor (Betrag und Richtung) der mechanischen Belastung bzw. des Auslenkwinkels der verbauten Komponente zu ermitteln.
Veränderungen des Widerstandswertes Rm in der mechanischen Grundstellung (Ruhelage) lassen unter Umständen direkt auf eine Gefügeänderung des
Elastomermaterials, eine Änderung der Umgebungstemperatur oder auf Alterung des Elastomermaterials schließen.
Um die Messanordnung vorteilhaft zu gestalten, ist es denkbar, diese vollständig in Form eines miniaturisierten„Elastomersensors" mit Auswerteeinrichtung 4, Energieversorgung und insbesondere kabelloser Datenübertragung 5 (zum Bei spiel NFC) entsprechend FIG. 6 unmittelbar am oder im Elastomerkörper 1 bzw. an dessen Oberfläche schon im Fierstellungsprozess zu integrieren. Die Kommuni kation erfolgt dann zu einem in der Nähe angeordneten Empfänger. Dies hätte den Vorteil, dass keine aufwendige Verkabelung des Messaufnehmers hin zur Aus werteeinrichtung 4 notwendig wäre.
Als bevorzugte Ausführungsform wird die Anwendung der Erfindung in einem Sphärolager 13 in einer automatischen Zugkupplung gesehen, da Änderungen der mechanischen Belastung bzw. Auslenkungen des gelagerten Bauteils (zum Bei spiel der Kupplungsstange 15) sogar in mehreren Raumachsen möglich sind.
Für den praktischen Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung 3 ist es vorteilhaft, die Widerstandssensoreinrichtung 3 nur zu bestimmten diskreten Zeitpunkten messen zu lassen, um den Energiebedarf zu begrenzen. Denkbar ist auch, die Messung durch ein externes Ereignis auszulösen, wie beispielsweise Kuppelvor gänge, Traktion/Bremsvorgänge des spurgeführten Fahrzeuges, Kurvenfahrten in Gleisbögen oder bei Integration eines zusätzlichen Inertialgebers (Beschleuni gung) in den Sensor bei Druck-/Zug im Kuppelstrang.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Elastomersensors wäre es auch, wenn die benötigte Energie zum Betrieb aus der Eigenbewegung (Walken) des Gummimate rials mittels Energy-Flarvesting gewonnen werden könnte.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass durch das Vorsehen von leitfähigen Füllstoffen in dem Elastomermaterial des Elastomerkörpers 1 elektrisch leitfähige Bereiche 2 im Elastomerkörper 1 ausgebildet werden. Bei der vorliegenden Erfin dung wird die spezifische Eigenschaft des elektrisch leitfähigen Bereiches 2 des Elastomerkörpers 1 nutzbar gemacht, und zwar indem über eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei mechanischer Belastung im Betrieb der Energie- absorptionsvorrichtung gemessen und entsprechend bewertet wird. Dabei ist es möglich, durch die bei mechanischer Belastung hervorgerufenen Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit im Elastomerkörper 1 auf die Belastung des Elastomer körpers 1 bzw. der Energieabsorptionsvorrichtung (Betrag und Richtung) sowie bei Abweichungen auf außerordentliche Lastfälle oder auch Alterung des Bauteils zu schließen. Hierdurch kann zum Beispiel eine zustandsorientierte Wartung der Bauteile der Energieabsorptionsvorrichtung ermöglicht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin of- fenbarter Merkmale.
Bezugszeichen liste
1 Elastomerkörper
2 elektrisch leitfähiger Bereich im Elastomerkörper/Sensorbereich 3 Widerstandssensoreinrichtung
4 Auswerteeinrichtung
5 Schnittstelleneinrichtung
10 Kupplungsanlenkung
11 Lagerbock
12 Gelenkanordnung
13 Sphärolager
14 Schwenkbolzen
15 Kupplungsstange
16 Käfig-/Gehäusestruktur

Claims

REGENERATIVE ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG, KUPPLUNGS- ODER GELENKANORDNUNG MIT EINER SOLCHEN ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG SOWIE DÄMPFUNGSANORDNUNG MIT EINER SOLCHEN ENERGIEABSORPTIONSVORRICHTUNG Patentansprüche
1. Regenerative Energieabsorptionsvorrichtung zum Abdämpfen von im Be trieb eines spurgeführten Fahrzeuges auftretenden Kräften, insbesondere Zug-, Stoß- und/oder Torsionskräften, wobei die Energieabsorptionsvor richtung mindestens eine Federeinrichtung mit einem Elastomerkörper (1) aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass sich dieser bei Einleiten von Kräften in die Energieabsorptionsvorrichtung zumindest bereichsweise elas tisch verformt, wobei der Elastomerkörper (1) zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material (2) gebildet ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand bei Zug- und/oder Druckbelastung variiert, und wobei der Energieabsorptionsvorrichtung eine Widerstandssensoreinrich tung (3) zugeordnet ist zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit oder eines elektrischen Widerstandes des elektrisch leitfähigen Materials (2).
2. Energieabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1,
wobei das elektrisch leitfähige Material (2) gebildet ist durch mindestens ein insbesondere metall- oder kohlenstoffbasiertes Füllstoffnetzwerk in ei nem Polymermaterial.
3. Energieabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 2,
wobei das Füllstoffnetzwerk gebildet ist durch insbesondere metall- oder kohlenstoffbasierte Füllstoffpartikel, die in einer Matrix des Polymermateri als aufgenommen sind.
4. Energieabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
wobei das Polymermaterial des elektrisch leitfähigen Materials (2) mit ei nem Polymermaterial übereinstimmt, aus welchem der Elastomerkörper (1) gebildet ist.
5. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das elektrisch leitfähige Material (2) zumindest in einem Bereich des Elastomerkörpers (1) integriert ist, durch den beim Abdämpfen von im Be trieb des spurgeführten Fahrzeuges auftretenden Kräften mindestens ein Lastpfad, insbesondere ein vorab berechneter Lastpfad, verläuft.
6. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) ausgebildet ist, die elektrische Leitfähigkeit und/oder den elektrischen Widerstand zwischen mindestens zwei Messpunkten im elektrisch leitfähigen Material (2) zu erfassen, wobei hierzu die Widerstandssensoreinrichtung (3) mindestens einen vorzugs weise bezugspotentialfrei differentiell arbeitenden Messaufnehmer auf weist.
7. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) eine insbesondere kabellos ar beitende Schnittstelleneinrichtung (5) aufweist, über welche von der Wi derstandssensoreinrichtung (3) erfasste und optional ausgewertete Daten vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar sind.
8. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) eine Speichereinrichtung auf weist, welche vorzugsweise ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von der Widerstandssensoreinrichtung (3) erfassten und/oder optional ausge werteten Daten und Informationen dauerhaft zu speichern, und wobei die Speichereinrichtung ausgebildet ist, vorzugsweise über einen Fernzugriff zumindest teilweise auslesbar zu sein.
9. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) ausgebildet ist, nur bei vorab festgelegten oder festlegbaren Zeiten und/oder Ereignissen eine elektri sche Leitfähigkeit oder einen elektrischen Widerstand des elektrisch leitfä higen Materials (2) zu erfassen.
10. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) mindestens einen Generator, insbesondere Nano-Generator, aufweist zum Gewinnen von zumindest ei nem Teil der beim Betrieb der Widerstandssensoreinrichtung (3) von dieser benötigten elektrischen Energie, insbesondere aus einer Vibration oder De formation des Elastomerkörpers (1).
11. Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Widerstandssensoreinrichtung (3) eine Auswerteeinrichtung (4) aufweist oder wobei der Widerstandssensoreinrichtung (3) eine Auswer teeinrichtung (4) zugeordnet ist, wobei die Auswerteeinrichtung (4) ausge bildet ist, die von der Widerstandssensoreinrichtung (3) erfassten Mess werte auszuwerten, wobei die Auswerteeinrichtung (4) insbesondere aus gebildet ist, anhand von mit der Widerstandssensoreinrichtung (3) erfass ten Leitfähigkeit- und/oder Widerstandsdaten zu prüfen, ob der Elastomer körper (1) der Federeinrichtung für die im Betrieb des spurgeführten Fahr zeuges auf die Energieabsorptionsvorrichtung einwirkenden Belastungen ausgelegt ist.
12. Energieabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 11,
wobei die Auswerteeinrichtung (4) ausgebildet ist, einen Gesamt-Lastwech sel oder eine Gesamt-Belastung des Elastomerkörpers (1) zu ermitteln, und zwar auf Grundlage einer von der Auswerteeinrichtung (4) dokumentierten und über einen vorab festgelegten oder festlegbaren Zeitraum aufgetrete nen Belastung des Elastomerkörpers (1), und wobei die Auswerteeinrich tung (4) insbesondere ferner ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem er mittelten Gesamt-Lastwechsel oder in Abhängigkeit von der ermittelten Ge samt-Belastung des Elastomerkörpers (1) eine Wartung und/oder einen Austausch des Elastomerkörpers (1) betreffende Information auszugeben.
13. Energieabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Auswerteeinrichtung (4) eine Speichereinrichtung mit im Rahmen einer Kalibrierung aufgenommenen Bezugsdaten aufweist.
14. Kupplungs- oder Gelenkanordnung (12) eines spurgeführten Fahrzeuges, insbesondere Schienenfahrzeuges, zum gelenkigen Verbinden zweier be nachbarter Wagenkästen, wobei die Kupplungs- oder Gelenkanordnung (12) mindestens eine Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 13 aufweist.
15. Dämpfungsanordnung, insbesondere in Gestalt eines Seitenpuffers eines spurgeführten Fahrzeuges, wobei die Dämpfungsanordnung mindestens eine Energieabsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
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